Министерство образования Российской Федерации
Сибирский государственный индустриальный университет
Кафедра
металлургии цветных металлов и химической технологии
ТЕОРИЯ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Теория металлургических процессов»
Специальность 110200 Металлургия цветных металлов
Новокузнецк
2003
УДК 669. 053. 2. (075)
Теория пирометаллургических процессов. Метод. указ. / Сост.: : СибГИУ. – Новокузнецк, 2003. – 14 с.
Рецензент:
Кафедра электрометаллургии стали и стандартизации (зав. каф. )
Приведены краткие теоретические основы и методы исследования некоторых пирометаллургических процессов. При выполнении работ студенты знакомятся с экспериментальными методами измерения различных физико-химических величин в металлургии, с методами математической обработки полученных данных.
Предназначены для студентов специальности 110200 Металлургия цветных металлов
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
РАСПЛАВЛЕННЫХ ШЛАКОВ
Введение
Электропроводность жидких шлаков – важная технологическая характеристика, знание которой необходимо для правильного ведения электротермических процессов, электрошлакового переплава и подогрева, руднотермических процессов и т. д.
Удельной электропроводностью æ (величиной, обратной удельному сопротивлению r) называется электропроводность слоя электролита толщиной 1 см, находящегося между двумя электродами площадью1 см2.
При использовании произвольных электродов удельная электропроводность определяется по формуле
æ 
, (Ом -1× см –1) (I)
где Rx – электрическое сопротивление электролита между погруженными в него электродами, Ом;
L – расстояние между электродами, см;
S – площадь поперечного сечения столба электролита между электродами, см2;
Кс – постоянная ячейки, 1/см.
Электропроводность расплавленных шлаков является прямым экспериментальным доказательством ионной теории строения шлаковых расплавов. Действительно, электропроводность жидких шлаков близка к электропроводности чисто ионных проводников, значительно выше электропроводности молекулярных жидкостей и имеет положительный температурный коэффициент. В соответствии с ионной теорией строения жидкие шлаки представляют собой микронеоднородный расплав, состоящий из простых катионов (
и др.) и анионов (
), а также из сложных кислородсодержащих анионов (
и др.). За электропроводность шлаков ответственны, главным образом, простые катионы, а комплексные анионы образуют сетку типа полимерной, которая затрудняет движение катионов. С увеличением температуры возрастает подвижность катионов и, кроме того, разрыхляется полимерная сетка. Оба эти фактора приводят к повышению электропроводности с ростом температуры. Зависимость удельной электропроводности от температуры выражается уравнением
æ 
(2)
где А – постоянная, зависящая от природы расплава;
Е – энергия активации перемещения катионов.
При соблюдении уравнения (1) экспериментальные данные укладываются на прямую линию в координатах lg æ – 1/Т. Однако с повышением температуры происходят структурные изменения в оксидном расплаве, связанные с разложением комплексных анионов на более простые, что приводит к изменению энергии активации Е, следовательно, к отклонению от прямолинейности.
Зависимость электрической проводимости шлаковых расплавов от состава носит сложный характер, который обусловлен энергетической неравноценностью катионов, различной структурой простых и комплексных анионов, а также различной степенью взаимодействия ионов.
Удельная электрическая проводимость оксидных расплавов, состоящих из 
сравнительно невелика и составляет 0,1 - 2,0 Ом-I× см-I. Электрическая проводимость резко возрастает (до 100 - 270 Ом-I× см-I) у расплавов на основе 
, что связано с наличием в этих шлаках электронной проводимости наряду с ионной.
Цель работы
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование зависимости удельной электропроводности шлаковых расплавов системы 
от температуры и фазового состава.
Описание установки
Определение удельной электропроводности сводится к измерению сопротивления Rx расплавленного шлака, заключенного между двумя электродами, при пропускании переменного тока, и расчету удельной электропроводности æ по уравнению (I) (метод Кольрауши).
Схема установки представлена на рисунке 1.
Установка состоит из электрической печи Таммана (1), в которую помещен тигель с расплавленным шлаком (2). Температура в печи измеряется платина - платинородиевой термопарой (3) в комплекте с потенциометром ПП-68 (4). Электродами (5) служат молибденовые стержни, заключенные в алундовые чехлы. Глубина погружения электродов регулируется с помощью микровинта (6). Измерение сопротивления расплава производится реохордным мостом Р-38 (7).
Рисунок 1. Схема установки для определения электропроводности
шлаковых расплавов
Порядок выполнения работы
Опыты проводятся в интервале температур 1400-1600 0С для шлаковых расплавов системы двух-трех различных составов, заданных руководителем, при постоянной глубине погружения электродов.
Перед выполнением опытов определяется постоянная измерительной ячейки КС. Для этого в тигель (стакан) наливается нормальный или децинормальный раствор KCl с известной удельной электропроводностью:
0,1 N KCl при 20 0С æ = 0,117 Ом-1·см-1;
1 N KCl при 20 0С æ = 0,102 Ом-1·см-1.
Затем в раствор на глубину, при которой будет измеряться электропроводность шлакового расплава, с помощью микровинта, погружаются электроды и измеряется сопротивление раствора. Точка начала отсчета глубины погружения электродов определяется в момент касания электродов поверхности раствора (стрелка прибора отклоняется). Постоянная ячейки КС определяется
æ(KCl) · Rx (KCl) . (3)
Опыты по замеру электрического сопротивления шлаковых расплавов проводят следующим образом:
1. Навеска 100 г шлака помещается в тигель и устанавливается в печь.
2. Печь нагревается до температуры 1600 ºС.
3. С помощью микровинта в расплав на заданную глубину погружаются электроды.
4. При установившейся температуре замеряется сопротивление расплава между электродами.
5. При охлаждении расплава измеряется его сопротивление с интервалом 30 - 40 градусов.
Обработка опытных данных
Результаты измерений заносят в таблицу по нижеприведенной форме:
№ п/п | КС, см-1 | t, ºС | T, К |
| RX, Ом | æ, Ом-1·см-1 | lg æ |
1. По уравнению (1) рассчитать значение удельной электропроводности шлакового расплава для каждой температуры.
2. Построить графики зависимости удельной электропроводности от температуры æ = ƒ (Т); lg æ = φ (1/Т). По этим графикам определить энергии активации электропроводности для шлаков различного состава..
, (4)
где tg α – тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.
Контрольные вопросы
1. Что называется удельной электропроводностью? Её единицы измерения.
2. Чем объясняется электропроводность расплавленных шлаков?
3. Как зависит электропроводность расплавленных шлаков от температуры и состава?
4. В чем сущность метода измерения электропроводности шлакового расплава?
5. От чего зависит постоянная электрохимической ячейки?
Лабораторная работа 2
ТВЕРДОФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
МЕЖДУ СУЛЬФИДОМ И ОКИСЛОМ МЕТАЛЛА
Введение
При взаимодействии сульфида металла с окислом того же металла протекает окисление серы сульфида до 
кислородом окисла с получением металла по реакции
. (5)
Равновесие реакции получения можно рассматривать как наложение равновесий трех реакции: диссоциации сульфида, реакции диссоциации окисла и реакции диссоциации . При диссоциации сульфида развивается определенное давление газообразной серы 
, зависящее от температуры и состояний сульфида и металла. При диссоциации окисла развивается давление кислорода 
, зависящее от температуры и состояний окисла и металла.
При диссоциации с давлением 
по реакции
(6)
получаются газообразная сера и кислород, причем давление , 
и 
связаны выражением константы равновесия реакции диссоциации
. (7)
При равновесии системы, состоящей из твердого окисла, твердого сульфида и , давление серы от диссоциации сульфида и от диссоциации должны быть равными, также должны совпадать равновесные давления кислорода при диссоциации окисла и диссоциации .
Заменяя в выражении константы диссоциации давления кислорода и серы равными им давлениями 
и 
, получим следующую формулу
, (8)
позволяющую рассчитать величину равновесного давления по термодинамическим характеристикам участников реакции.
Если сульфид, окисел и металл нелетучи, то газообразный продукт реакции состоит только из , его давление равно рассчитанному по формуле (8) давлению 
.
Условием термодинамической возможности протекания реакции взаимодействия сульфида и окисла с образованием будет следующее соотношение между равновесным давлением и внешним давлением
Если в системе 
, то реакция пойдет вправо до достижения давления сернистого газа в окружающей среде, равного равновесному, и если все время газ отводить, то реакция дойдет до конца, т. е. до исчезновения одного из исходных реагирующих веществ.
Термодинамический потенциал этой реакции определяется, с одной стороны, сродством металла к сере и кислороду, с другой – сродством серы к кислороду.
Эта реакция легко должна идти для тех металлов, у которых сумма величин сродства к сере и кислороду сравнительно небольшая (Cu, Pb, Bi, Sb), в результате чего создается высокое равновесное давление сернистого газа. Для большинства металлов эта реакция эндотермическая. Например:
;
;
.
Давление при взаимодействии сульфида и окисла увеличивается с ростом температуры. Для каждого металла существует определенная температура, при которой взаимодействие сульфида и окисла при атмосферном давлении становится термодинамически возможным (определить расчетным путем).
Цель работы
Изучить влияние температуры (Т) и продолжительности процесса (t) на степень завершенности (
) процесса взаимодействия между сульфидом и окислом одного и того же металла. Построить графики зависимости 
и 
. Построить эти же зависимости для .
Порядок выполнения работы
Изучение кинетики реакции 
осуществляется при различных температурах в условиях постоянства ряда факторов, связанных с физическим состоянием твердой фазы (определяется степень измельчения, постоянство химического состава и др.).
Рассчитанная навеска, состоящая, например, из 
и 
, помещается в тигель и выдерживается в муфельной печи при равномерном повышении температуры. При этом фиксируется выделяющееся по реакции количество , соответствующее определенной температуре и определенному времени выдержки навески в печи. Каждый опыт проводится в следующем порядке:
1. Включить печь и установить на регуляторе заданную температуру.
2. Рассчитать и взвесить навески и (или других соединений), поместить их в тигель (или несколько тиглей с одинаковыми навесками), тщательно перемешать.
3. Поместить тигель (или одновременно несколько тиглей ) в печь.
4. Нагреть навеску до 700 ºС и, выдержав навеску при этой температуре заданное время (5 – 10 минут), извлечь один тигель из печи. При изучении зависимости скорости процесса от температуры аналогичные операции повторить при других температурах с интервалом 50 ºС. При изучении зависимости скорости процесса от времени тигли удаляются поочередно через каждые 5 минут (температура постоянна).
5. Охладить тигель с навеской, произвести контрольное взвешивание продукта. Рассчитать количество выделившегося газа.
Обработка опытных данных
Результаты измерений заносятся в таблицу по нижеприведенной форме:
№ п/п | Т, К (t, ºС) | τ, сек. | q, г | q1, г | mфакт., г | mтеор., г |
|
По результатам экспериментальных данных для указанных значений температуры и крупности частиц необходимо:
1. Рассчитать теоретическое количество газа в граммах mтеор., которое должно выделиться в результате реакции. 
2. Сопоставляя данные взвешивания до опыта q и после q1, определить действительное количество 
( mфакт.), выделившееся в результате опыта.
3. Определить степень завершенности процесса по формуле
. (9)
Контрольные вопросы
1. Каков механизм процесса твердофазного взаимодействия сульфида металла с окислом того же металла?
2. Расчет равновесного давления реакции взаимодействия сульфида металла с окислом того же металла .
3. Условие термодинамической возможности протекания реакции взаимодействия сульфида металла с окислом того же металла.
4. Каково влияние температуры и крупности частиц на протекание процесса?
5. Расчет температуры, при которой взаимодействие сульфида металла с окислом того же металла становится термодинамически возможным.
Лабораторная работа 3
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО
РАЗЛОЖЕНИЯ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ
Введение
Диссоциация карбоната кальция (кальцита) описывается уравнением
(10)
и относится к сложным топохимическим процессам, протекающим на поверхности твердой фазы и связанным с перестройкой решетки исходной фазы. Этот процесс складывается из следующих стадий:
1. Распад аниона 
с образованием адсорбированных на поверхности твердой фазы молекул 
(11)
2. Десорбция молекул углекислого газа
(12)
В результате этих стадий в карбонате остаются ионы 
и 
, которые вначале располагаются в кристаллической решетке 
, образуя раствор 
в карбонате.
3. Возникновение кристаллов новой фазы (извести) из пересыщенного раствора и их рост.
Процессы десорбции карбонатов относятся к группе автокаталитических процессов, характеризующихся следующими периодами:
Индукционный (инкубационный) период. Реакция практически не наблюдается. Кристаллохимические превращения первоначально возникают лишь в отдельных точках твердой поверхности – активных центрах, где связи между частицами в кристаллической решетке ослаблены. Число активных центров обычно невелико, а зарождение новой фазы в недрах старой сопряжено со значительными кинетическими трудностями, поэтому и скорость реакции здесь ничтожно мала.
Период автокатализа. Характеризуется резким увеличением скорости за счет роста поверхности раздела фаз. Образующаяся поверхность продукта реакции играет роль катализатора, а самоускорение процесса (автокатализ) объясняется ее непрерывным ростом. Скорость реакции достигает максимальной величины, что соответствует образованию сплошного фронта превращений.
Период усредненного фронта. После достижения максимума скорость процесса начинает убывать за счет уменьшения поверхности раздела фаз из-за сокращения реакционной зоны и возникновения диффузионных затруднений при блокировании исходных кристаллов твердым продуктом. Протекание процесса переходит из кинетического в диффузионный режим. На продолжительность указанных периодов и скорость химических превращений влияют дисперсность карбоната и несовершенство строения его решетки, температура и степень удаления системы от равновесия, характеризуемого разностью упругости диссоциации карбоната при данной температуре и парциальным давлением двуокиси углерода в системе (
).
Цель работы
Целью настоящей работы является экспериментальное подтверждение автокаталитического характера процесса разложения карбоната кальция и изучение влияния на данный процесс температуры, продолжительности выдержки вещества при данной температуре и крупности исходных частиц.
Описание установки
На рисунке 2 изображена схема установки для изучения кинетики изотермического разложения карбоната кальция.
Установка состоит из электрической печи сопротивления (1), температура в которой регулируется терморегулятором (2). В печь помещена кварцевая трубка (3), внутри которой находится лодочка (4) с исследуемой навеской . Углекислый газ для промывки реакционного пространства поступает из газометра (5), осушаясь в поглотительной склянке (6). Отключение газометра от системы осуществляется с помощью крана (7). Скорость выделения при разложении измеряется реометром (8).
Рисунок 2. Схема установки для изучения кинетики
изотермического разложения карбоната кальция.
Порядок выполнения работы
Опыты проводятся для частиц карбоната кальция разной крупности при двух – трех различных температурах, указанных руководителем (выше температуры, при которой процесс диссоциации становится термодинамически возможным – определить расчетным путем). Каждый опыт проводится в следующем порядке:
1. Включить печь и установить на регуляторе заданную температуру.
2. Взвесить исследуемую навеску карбоната кальция (0,1 – 0,5 г).
3. Определить средний размер частиц исходного материала.
4. Поместить лодочку с навеской в холодную зону трубки.
5. Промыть реакционное пространство углекислым газом в течение 5 мин. Для этого установить кран 7 в положение, соответствующее выделению в поглотительной склянке 3-4 пузырьков газа в минуту.
6. Отключить подачу углекислого газа.
7. При достижении заданной температуры печи передвижением кварцевой трубки поместить лодочку с исследуемой навеской в нагретую зону.
8. Следить за показаниями реометра, фиксируя их через каждые 30 секунд.
9. После окончания опыта извлечь лодочку, охладить ее и произвести контрольное взвешивание продукта.
Обработка опытных данных
Результаты измерений заносятся в таблицу по нижеприведенной форме:
№ п/п | Т, К (t, ºС) | τ, сек. |
| mфакт. |
|
По результатам экспериментальных данных для указанных значений температуры и крупности частиц необходимо:
1. Построить график 
(скорость разложения - время).
2. Рассчитать теоретическое количество газа в граммах mтеор., которое должно выделиться в результате полного разложения карбоната. Для этого необходимо составить пропорцию, зная уравнение диссоциации карбоната кальция (см. уравнение 10) и молекулярные веса веществ:
,
где q – масса навески до опыта.
3. Сопоставляя данные взвешивания до опыта q и после q1, определить действительное количество ( mфакт.), выделившееся в результате опыта.
4. Определить степень завершенности процесса по формуле
.
Контрольные вопросы
1. Топохимические процессы. Механизм процесса диссоциации карбонатов.
2. Чем отличается характер кинетической кривой разложения карбонатов в различные интервалы времени?
3. Что является катализатором процесса в период автокатализа?
4. Каково влияние температуры и крупности частиц на протекание процесса разложения?
Форма и содержание отчета
На титульном листе отчета указывается фамилия студента, группа и название лабораторной работы.
Отчет должен содержать: цель работы, схему установки, отчетную таблицу, необходимые расчеты, анализ полученных результатов и выводы.
Правила техники безопасности
1. Перед началом работы прослушать общий инструктаж по охране труда и технике безопасности.
2. Перед включением печи убедиться в наличии и исправности заземления.
3. Помещение тигля в печь или перемещение лодочки с исследуемым образцом внутри кварцевой трубки производить только в матерчатых рукавицах с помощью проволочного крючка или специальными щипцами.
4. После извлечения лодочки из нагретой зоны печи поместить ее на асбестовую подкладку.
5. Взвешивание продукта разложения осуществляется только после его полного остывания.
6. При работе на печи Таммана использовать защитные очки.
Список рекомендуемой литературы
1. , Зайцев пирометаллургических процессов. - М.: Металлургия, 1993, 1973.
2. Шлаки и штейны цветной металлургии / , - М.: Металлургия, 1969. - 408 с.
3. Теория металлургических процессов: Учебник для вузов / , , и др. - М.: Металлургия, 1989. - 392 с.
4. Теория металлургических процессов: Учебник для вузов / , , - М.: Металлургия, 1986. - 426 с.
5. Экспериментальные работы по теории металлургических процессов / , - М.: Металлургия, 1987. - 208 с.
6. , Владимиров по расчетам равновесий металлургических реакций. – М.: Госуд. н.-техн. изд-во лит-ры по черн. и цв. мет-гии, 1963. – 416 с.
План 2003
Составитель
Людмила Петровна Скуратович
ТЕОРИЯ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
по дисциплине "Теория металлургических процессов"
Специальность 110200 Металлургия цветных металлов
Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом
Изд. лиц. № 000 от 5.04.2000 г. Подписано в печать
Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Заказ
Тираж 25 экз.
Сибирский государственный индустриальный университет
654007, Новокузнецк, ул. Кирова, 42.
